Рождение гиганта

В этой главе рассказывается об одном янтарном веретене, о тайне дергающихся лапок, о том, как человек узнал, что магнетизм и электричество - близкие родственники, о пользе тесноты в лабораториях и об изобретателе, портрета которого не сохранилось.

Рождение гиганта

Когда придумано было это электричество, 
стали его прилагать к делу: придумали 
золотить и серебрить электричеством, 
придумали свет электрический и придумали 
электричеством на дальнем расстоянии 
с места на место передавать знаки. 
Для этого кладут куски разных металлов 
в стаканчики, в них наливают жидкости.
В стаканчиках набирается электричество, 
и это электричество проводят по 
проволоке в то место, куда хотят, а из 
того места проволочку проводят в землю.

Л. Н. Толстой

В 1755 году один лондонский еженедельник писал:

"Электричество - сила, хорошо изученная человеком. Ее с успехом применяют для лечения болезней, эта сила способна ускорять развитие растений". Эта фраза - образец чудовищной самоуверенности людей.

Действительно, история электричества насчитывала в то время тысячи лет.

Говорят, что электричество впервые "показалось" человеку в тот момент, когда дочь известного философа-материалиста Фалеса Милетского, уронив янтарное веретено и пытаясь снять с него нитки шерстяной тряпочкой, заметила, что к веретену притянулись мелкие кусочки ткани, нитки, пылинки...

Может быть, это и так, однако свойство потертого янтаря притягивать пылинки и листки известно человечеству с глубокой древности, причем, по-видимому, повсеместно. Так, известный естествоиспытатель Гумбольдт писал, что об этом свойстве янтаря знают, например, не затронутые цивилизацией индейцы бассейна реки Ориноко.

Однако до XVI века это свойство янтаря и многих других веществ не привлекало к себе внимания ученых. Начало их научному изучению было положено Гильбертом. Им было открыто множество веществ, обладавших теми же свойствами, что и янтарь.

Следующий крупный шаг в освоении электричества, видимо, следует приписать знаменитому любителю науки бургомистру города Магдебурга Отто фон Герике, прославившемуся, кроме того, своими "магдебурскими полушариями".

Отто фон Герике, натирая сухими руками небольшой шар из серы, мог получать довольно значительные заряды статического электричества. Эти заряды были подчас настолько велики, что опыт с натиранием шара некоторые исследователи называли "страшным опытом" и не советовали кому-либо его повторять из-за сильных электрических ударов.

Ярмо магнита двухметровой жидководородной камеры

Шары фон Герике послужили прообразом будущих электрических машин, настолько распространенных в то время, что их можно было встретить как в кабинетах физиков (Исаак Ньютон производил опыты по методике фон Герике со стеклянным шаром), так и во дворцах вельмож, ничего общего с наукой не имевших.

Машины "десятипудового бургомистра" сразу же получили очень широкое распространение, и не удивительно, что с их помощью удалось обнаружить много новых электрических эффектов.

Один из сенсационных случаев произошел в знаменитой лейденской лаборатории. Студент по имени Канеус использовал машину Герике для того, чтобы "зарядить электричеством" воду в стеклянной колбе, которую он держал в ладонях. "Зарядка" осуществлялась при помощи цепочки, подсоединенной к бруску машины. Цепочка спускалась через горлышко машины в воду. По истечении некоторого времени Канеус решил убрать свободной рукой цепочку - вынуть ее из сосуда. Прикоснувшись к ней, он получил страшный электрический удар, от которого чуть не умер.

Оказалось, что в сосудах такого типа электричество может накапливаться в очень больших количествах. Так была открыта так называемая "лейденская банка", простейший конденсатор.

Новость о лейденской банке с большой скоростью распространилась по Европе и Америке. Во всех лабораториях и аристократических салонах ставились удивительные опыты, неприятные, забавные и таинственные в одно и то же время.

Французская столица, естественно, не осталась в стороне от этого лейденского поветрия. Семьсот парижских монахов, взявшись за руки, провели "лейденский эксперимент". В тот самый момент когда первый монах взялся за головку банки, все семьсот монахов, сведенных одной судорогой, вскрикнули с ужасом. Несмотря на неприятное ощущение, тысячи и тысячи людей хотели подвергнуться этому эксперименту. Изготавливались новые банки, все более мощные.

Лейденская банка стала одним из необходимейших атрибутов любого исследования. С помощью лейденской банки можно было получать электрические искры длиной в несколько сантиметров.

Ценное наблюдение принадлежит английскому физику Вэллю, который одним из первых наблюдал искры при разряде электрической машины и сравнивал их с фосфоресцированием, возникающим при раскалывании сахара в темноте. Хотя эти искры были очень слабы, теперь уже можно было перекинуть мостик между ними и гигантской искрой-молнией.

Следующим шагом была постройка итальянским физиком Вольта (в честь его названа единица электрического напряжения) в 1775 году (по сути дела, совсем недавно - и двухсот лет не прошло) электрофора - очень простого исследовательского инструмента. (Нужно отметить, что во многих странах приоритет Вольта оспаривается и честь создания этого важнейшего устройства приписывается Пилске, который в своей записке Шведской Академии наук от 1762 года описал принцип работы этой машины.)

Прибор Вольта был очень прост - он состоял из сургучной подушки, металлического диска со стеклянной ручкой, собственного пальца и... кошки (или кошачьей шкуры, однако кошка предпочтительней, потому что для хорошей электризации шерсть должна быть теплой). Принцип действия электрофора по сути дела тот же, что и у школьных электрофорных машин, и состоит в том, что заряд, сообщенный сургучу при трении его кошкой, может быть увеличен в произвольное число раз при повторении цикла опускания металлической плиты на сургуч и отведения ее назад. При этом палец экспериментатора служит тем мостиком, по которому из диска убегает при каждом цикле очередная порция зарядов "ненужного" противоположного знака.

С изобретением Вольта человек получил первое устройство для получения им по желанию электрических зарядов любого знака. Замкнув эти заряды друг на друга, человек впервые стал иметь возможность наблюдать действия электрического тока, правда относительно небольшой величины.

Не исключено, однако, что люди, жившие на Земле более трех тысяч лет назад, не только хорошо знали об электричестве,, но и умели его использовать. Мнение это основывается на результатах раскопок в Ираке, южнее Багдада на берегах Тигра. Расчищая кистями пласты засохшей вековой красной глины, археологи обнаружили очень странные предметы. Это были керамические сосуды совершенно необычной формы. Внутри их были вставлены разъеденные медные цилиндрики и железные бруски. Вид цилиндров свидетельствовал о том, что их разъедание скорее всего является следствием воздействия кислоты (во времена вавилонские были хорошо известны уксусная и лимонная кислоты). Но самое удивительное было на дне сосудов: там лежал битум - великолепная электрическая изоляция! Если предположить, что железная и медная пластины, разделенные битумом, находились в кислоте, то необходимо признать, что древним были известны электрохимические элементы, открытые Вольта спустя тысячелетия.

Косвенным доводом в пользу такого предположения служит тот факт, что золотое покрытие, украшающее вавилонские драгоценности, настолько тонко, что трудно представить, что его можно было бы нанести каким-либо способом, кроме электролитического!

Новый шаг в развитии электричества сделал соотечественник Вольта - Гальвани, профессор анатомии в Болонье в 1780 году. Имя Гальвани тесно связано с "тайной дрыгающихся лапок" мертвых лягушек, занимавшей долгое время умы лучших европейских ученых.

Совершенно случайно получилось так, что в той же комнате, где в ноябре 1780 года Гальвани изучал на препаратах лягушек их нервную систему, работал его приятель - физик, производивший по методу Вольта опыты с электричеством. Одну из отпрепарированных лягушек Гальвани по рассеянности положил на стол электрической машины.

Эрнест Орландо Лоуренс - человек, который сделал магниты чудовищами

В это время в комнату вошла жена Гальвани. Ее взору предстала жуткая картина: при искрах в электрической машине лапки мертвой лягушки, прикасавшиеся к железному предмету (скальпелю), дергались. Жена Гальвани с ужасом указала на это своему мужу. Гальвани поразился и решил, что все дело в электрических искрах. Для того чтобы получить более сильный эффект, он вывесил несколько лягушек на медных проволочках на свой железный балкон во время грозы. Однако молнии - гигантские электрические разряды - никак не повлияли на поведение отпрепарированных лягушек. Чего не удалось сделать молнии, сделал ветер. При порывах ветра лягушки раскачивались на своих проволочках и иногда касались железного балкона. Как только это случалось, лапки дергались.

Опыты Гальвани пробудили в широкой публике старые мечты о бессмертии. Бессмертие казалось совсем близким, осязаемым. Сегодня содрогается лапка убитой лягушки, а завтра... Бесчисленное число людей стали проделывать опыты по методике Гальвани.

Вот что писали об этом в одной из старых энциклопедий: "В течение целых тысячелетий хладнокровное племя лягушек беззаботно совершало свой жизненный путь, как наметила его природа, свободно росло и наслаждалось земными благами, зная одного только врага, господина аиста, да еще, пожалуй, терпя урон от гурманов, которые требовали для себя жертвы в виде пары лягушачьих лапок со всего несметного рода. Но в исходе позапрошлого столетия наступил злосчастный век для лягушек. Злой рок воцарился над ними, и вряд ли когда-либо лягушки от него освободятся. Затравлены, схвачены, замучены, скальпированы, убиты, обезглавлены - но и со смертью не пришел конец их бедствиям. Лягушка стала физическим прибором, отдала себя в распоряжение науки. Срежут ей голову, сдерут с нее кожу, расправят мускулы и проткнут спину проволокой, а она все же не смеет уйти к месту вечного упокоения; повинуясь приказанию физиков или физиологов, нервы ее придут в раздражение и мускулы будут сокращаться, пока не высохнет последняя капля "живой воды".

И все это лежит на совести у Алоизо Луиджи Гальвани..."

Интересно отметить, что за сто с лишним лет до Гальвани, " 1678 году, физиолог Шваммердам показывал великому герцогу Тосканскому точно такой же опыт с лягушкой, подвешенной на серебряной нитке. Видимо, это открытие было сделано слишком рано. Шваммердама все забыли, и Гальвани о нем ничего не знал.

Понять, почему лапки мертвых лягушек дергаются, Гальвани не было суждено. Лишь Вольта понял, что присоединение разных металлических проводников (у Гальвани медная проволока была привязана к железному балкону) друг к другу само по себе вызывает появление на других концах стерженьков электрических зарядов. Если замкнуть эти концы через тело лягушки, образуется электрический ток, который является не кратковременным, как при "страшных опытах" Отто фон Герике, а длительным. О природе этого тока у Вольта с Гальвани был очень серьезный спор - Луиджи Гальвани был уверен в том, что источником тока является сама лягушка, а Алессандро Вольта считал первопричиной тока соединение двух разных металлов.

Элктромагнит дубненского синхротрона

Каждый противник проводил многочисленные опыты в поддержку своей точки зрения. Гальвани провел опыты с отпрепарированными конечностями свежезабитых овец и кроликов. Как и в случае с лягушкой, при касании препарата двумя разными, соединенными между собой металлами конечности содрогались. Последователю Гальвани Запотти удалось добиться даже стрекотания мертвого кузнечика.

Позже подобные опыты проделывались над трупами казненных преступников. Эффект был ужасный - трупы содрогались, открывали глаза, волосы их становились дыбом. Впоследствии эти опыты были запрещены.

Хотя в споре Гальвани оказался неправ, он тем не менее заложил основы учения о биотоках организма.

Алессандро Вольта ставил совсем другие опыты - он скептически относился к теории "животного электричества" Гальвани. Иногда его можно было увидеть за странным занятием: он брал две монеты или два кружка - обязательно из разных металлов и... клал их себе в рот: одну на язык, другую под язык. Если после этого монеты или кружочки соединялись проволочкой, Вольта чувствовал солоноватый вкус - тот самый вкус, но гораздо слабее, что мы можем почувствовать, лизнув одновременно два контакта батарейки. Из опытов, проведенных раньше с машиной Герике и электрофором, Вольта знал, что такой вкус вызывается протеканием по языку электрического тока. Поставив друг на друга множество кружков (свыше ста), Вольта получил довольно мощный источник электричества - вольтов столб. Присоединив к верхнему и нижнему концам столба проводнички и взяв их в рот, Вольта убедился в том, что этот его источник в противовес машине Герике и электрофору действует не одно краткое мгновение разряда статического электричества, а постоянно.

Сразу вслед за этим Вольта сделал еще одно изобретение - он изобрел электрическую батарею, пышно названную "короной сосудов" и состоявшую из многих последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой. Это был уже довольно солидный источник электрической энергии (солидный, конечно, по тем временам; сейчас с помощью "короны сосудов" можно было бы привести в действие разве что электрический звонок).

20 марта 1800 года Вольта сделал доклад о своих исследованиях в Лондонском королевском обществе. Можно считать, что с этого дня источники постоянного электрического тока - вольтов столб и батарея - стали известны многим физикам и начали широко применяться. Распространению этой известности и расширению опытов с электричеством способствовало приглашение Вольта Наполеоном в Париж для чтения лекций перед видными физиками Франции. В России тоже довольно быстро узнали об открытии Вольта. Одна из самых гигантских и мощных электрических батарей того времени, состоящая из 3000 "кружков", была построена русским профессором В. В. Петровым, открывшим с помощью этой батареи прославившую его электрическую дугу.

Уже в 1808 году сэр Гемфри Дэви впервые осуществил электрическое дуговое освещение. Электричество начало свое победное шествие по миру. Особенно быстро развивалось электрическое освещение. Небольшие лампы предлагалось даже помещать на головах слуг и служанок в богатых домах. Так, журнал "Сайнтифик Америкэн" писал тогда:

"Вскоре настанет то время, когда и частные дома будут освещаться девушками, вместо того чтобы использовать электрические лампы на колоннах. Такая девушка (яркостью в 50-60 свечей) будет сидеть в кресле гостиной и ждать, пока не позвонят гости - тогда она включит на себе свет, примет посетителя и проводит в приемную. Стоимость такой девушки будет гораздо ниже стоимости необходимого для приема специального слуги и газового освещения. Гораздо приятней иметь в доме электродевушку, чем громоздкие канделябры, которые постоянно угрожают упасть вам на голову. Каждый домовладелец с эстетическим чувством будет рад заменить канделябры девушками, для которых уже выпущено 2500 комплектов ламп и батарей".

Электричество уже до этого прочно вошло в обиход физических лабораторий. С ним проводились многочисленные опыты на животных, с его помощью получали дугу и миниатюрные молнии - искры.

Слово "электричество" прочно вошло в обиход простых людей. Электричество подозревали теперь во всех труднообъяснимых и таинственных случаях. Томас Перри обобщил взгляды того времени во фразе:

"Все электрическое - таинственно; поэтому все таинственное - электрическое". Роберт Берне в своем шутливом стихотворении "Золотое кольцо" писал:

- Зачем надевают кольцо золотое 
На палец, когда обручаются двое?- 
Меня любопытная дева спросила. 
Не став пред вопросом в тупик, 
Ответил я так собеседнице милой: 
- Владеет любовь электрической силой, 
А золото - проводник!

Говорили, что "угри насыщены электричеством точно так же, как гадюки насыщены ядом. Их соприкосновение равносильно действию молнии"...

"...в Сант-Урбане родился ребенок, который насыщен электричеством, как лейденская банка; прикасаясь к нему, все получают сильный удар, руки и ноги его светятся в темноте; он умер восьми месяцев, и перед смертью к нему было нельзя подойти, так он был наэлектризован"...

"...есть растение фитолака электрика, прикасаясь к которому человек получает толчок; это растение действует на магнитную стрелку на расстоянии 6 метров, а птицы и насекомые избегают его..."

"...в деревне Медведково прошла сильная гроза; крестьяне видели, как молния ударила в нож, после грозы нож стал притягивать железные гвозди..."

Наблюдения, подобные последнему, были особенно часты - намагничивание вил, ножей, топоров и, наоборот, размагничивание компасных стрелок, "в которые ударяла молния", наблюдалось почти повсеместно. Многие замечали и то, что во время ударов молнии магнитные стрелки начинают метаться. Связь электричества и магнетизма все явственней проступала в таких сообщениях, и многие ученые стали пытаться найти эту связь, "получить из электричества магнетизм". Проводились многочисленные опыты. Пытались пропускать через железные бруски большой ток, пытались воздействовать на бруски искрой от электрофоров и электрофорных машин. Брусок не намагничивался. Магнитная стрелка бесстрастно указывала прежнее направление...

Не удалось обнаружить связи между молниями и намагничиванием ни Франклину, ни М. В. Ломоносову и его другу Г. В. Рихману. Проводя эксперименты, Рихман погиб, рухнув на пол рядом со своими приборами. Ломоносов в рапорте по поводу смерти Рихмана писал:

"Прибывший медицины и философии доктор X. Г. Кратценштейн растер тело ученого унгарской водкой, отворил кровь* дул ему в рот, зажав ноздри, чтоб тем дыхание привести в движение. Тщетно. Вздохнув, признал смерть..."

(Стрелка впервые повернулась в опытах трентского физика Романьози; в 1802 году Романьози заметил, что при поднесении компасной стрелки к вольтову столбу она чуть заметно отклоняется. Иногда никакого эффекта не наблюдалось. Романьози не смог понять того, что стрелка отклонялась лишь тогда, когда вольтов столб замкнут на нагрузку, другими словами, лишь тогда, когда по нему течет ток.

Открыть это выпало на долю известного датского ученого Эрстеда^* в 1820 году. И как это очень нередко случается, Эрстеду приписывается открытие, которого он, строго говоря, не сделал. Дело было так: читая 15 февраля 1820 года студентам Копенгагенского университета лекцию по физике, профессор Эрстед производил некоторые опыты с электричеством. Около одного из проводников, по которому протекал ток, случайно оказался компас. Один из любознательных студентов, имени которого мы не знаем, заглянув в компас, с удивлением заметил, что при включении тока стрелка поворачивается. Недоумевающий студент сообщил об этом Эрстеду. Эрстед объяснил поворот стрелки протеканием тока и с этого дня стал считаться человеком, открывшим связь электричества и магнетизма.

^* (В честь Эрстеда названа единица напряженности магнитного поля в системе CGS. Поле с напряженностью 1 эрстед очень слабо - земное магнитное поле обладает напряженностью, примерно равной 0,5 эрстеда. 1 эрстед в 80 раз больше 1 гильберта.)

В блестящей цепи ученых, способствовавших современному расцвету электротехники, следующими были Араго и Ампер. 25 сентября 1820 года Араго заметил, что проволока, по которой идет ток, притягивает железные опилки и, кроме того, намагничивает стальные иголки, лежащие к ней под прямым углом.

Посмотреть на это явление в лабораторию Араго пришел Ампер. Ампер увидел намагничивание иголок и предположил, что намагничивающее действие проволоки на иголку увеличится, если проволоку свернуть в спираль, а иголку поместить внутрь ее на ее оси. Идея тут же была воплощена в жизнь. Араго и Ампер изготовили спираль и, воткнув иглу в бумажку, поместили ее в центр спирали. Успех превзошел все ожидания. Игла намагнитилась несравненно сильнее, чем раньше.

Так был изобретен первый соленоид - катушка, обтекаемая электрическим током. Соленоид был первым электромагнитом, созданным человеком. Соленоиды и сейчас широко используются в физике - например, для изготовления "магнитных бутылок", удерживающих плазму в термоядерных исследованиях.

Что касается первого электромагнита, то есть катушки, обтекаемой током и содержащей внутри железный сердечник, то до его изобретения пришлось ждать еще пять лет. Это открытие пришлось на долю Вильяма Стерджена.

Он родился в Ланкашире в 1783 году, в семье сапожника. Отец не уделял семье ни малейшего внимания, целыми днями удил рыбу и глядел на петушиные бои. Молодого Вильяма послали учиться мастерству к сапожнику, тот, по-видимому, держал его в черном теле. Вильям голодал, и поэтому, чуть представился случай, сбежал от сапожника в вестморлендскую милицию. Было ему в то время 19 лет. Потом, через два года, Вильям "дослужился" до рядового артиллериста. В казармах он занимался чтением и проводил физические и химические опыты. Однажды, когда их часть стояла на Ньюфаундленде, на остров налетел страшный ураган с молниями и громом. Этот ураган произвел на Вильяма большое впечатление и привлек его внимание к электричеству. Он стал читать книги по естествознанию, однако вскоре с горечью понял, что ничего в них не понимает. Тогда он решил начать с самых азов и занялся письмом, чтением и грамматикой. Сержант этой же части снабжал его книгами, которые Вильям, освободившись от вахты, читал по ночам. Вскоре он перешел к математике, мертвым и новым языкам, оптике и естествознанию. Его страстью в свободное от учебы время было ремонтировать часы и чертить.

Вид брукхейвенского ускорителя на 30 Гэв с птичьего полета

После освобождения от воинской службы в 1820 году Стерджен купил токарный станок и посвятил себя изготовлению физических приборов, в частности электрических. Благодаря поддержке известного тогда химика Джеймса Марша он был назначен лектором в Военную академию Ост-Индской компании в Аддискомбе, где и преподавал до 1838 года.

Первым вкладом Стерджена в науку явилась разработка им модифицированной модели вращающихся цилиндров Ампера, описанной в "Философском журнале" в 1823 году. На следующий год он написал четыре статьи по термоэлектричеству, а 23 мая 1825 года представил Обществу искусств несколько усовершенствованных приборов для электромагнитных экспериментов, среди которых был ставший теперь знаменитым первый электромагнит. Идея цилиндрического и подковообразного магнита захватила его еще в 1823 году. Тогда Стерджен и построил вращающееся "колесо Стерджена", являвшееся фактически одной из первых модификаций электромотора.

Он сделал ряд других важных открытий, о которых написал несколько статей; однако журнал "Философикл Транзекшенс", для которого они предназначались, отказался почему-то их печатать, и Стерджену не оставалось ничего, как... создать евой собственный журнал "Анналы электричества", в котором он и печатал свои статьи.

Музей в Манчестере, директором которого стал Стерджен в 1840 году, был слишком научным, чтобы быть прибыльным, и с 1845 по 1850 год Стерджен жил в бедности. В 1850 году изобретатель электромагнита умер, так и не получив за свое великое изобретение ни богатства, ни славы.

Ученик Стерджена, знаменитый Джоуль, писал, что Стерджен был высокого роста и хорошо сложен, обладал благородной внешностью и приятными манерами. К сожалению, портрета его не сохранилось. На его могильной плите выбито:

Здесь лежит изобретатель электромагнита...